Файл: Отделение Технологии геологической и геофизической разведки Дисциплина Седиментология.pptx

Филиал Российского государственного университета нефти и газа (НИУ) имени И.М.Губкина в г. Ташкенте

Отделение: «Технологии геологической и геофизической разведки»

Дисциплина: «Седиментология»

Лекция 1. Осадочная горная порода. Этапы и стадийность образования

Осадочная порода

• Осадочной породой называется геологическое тело, возникшее из продуктов физического и химического разрушения литосферы, в результате химического осаждения и жизнедеятельности организмов или того и другого одновременно [8]. В связи с этим осадочные породы представляют собой скопления минерального или органического вещества, образующиеся в условиях земной поверхности (на дне водоемов или на поверхности суши) как результат действия экзогенных процессов.

• Основными компонентами осадочных пород являются:
• обломочная часть – продукты механического раздробления горных пород различного генезиса;
• хемогенная часть – продукты химических реакций, происходивших, главным образом, в водной среде;
• биогенная часть – остатки животных и растительных организмов в виде минеральных скелетных остатков или неполностью разложившихся органических тканей;
• вулканогенная часть – продукты вулканической деятельности;
• коллоидный материал – тонкодисперсные частицы величиной 1-100 мкм (1х10-6  1х10-4 мм), образовавшиеся при тончайшем раздроблении обломочного материала;
• космическая часть – космическая пыль, метеориты.
• Значительный объем в осадочных породах часто составляют пустоты различного размера, заполненные жидкостями или газами.

• Процесс породообразования носит название литогенеза. Основные положения теории литогенеза изложены в трудах выдающегося ученого, академика Н.М. Страхова.
• Согласно его представлениям, в цикле процессов образования осадочных пород выделяется ряд стадий:
• гипергенез – возникновение исходных продуктов для образования осадочных пород (результаты механического разрушения, химического разложения более древних пород, жизнедеятельности организмов, вулканической деятельности);
• седиментогенез – перенос и осаждение вещества;
• диагенез – совокупность процессов преобразования рыхлых осадков в осадочные породы в верхней зоне земной коры.

• В настоящее время ряд ученых – литологов (Н.Б. Вассоевич, Н.В. Логвиненко, О.В. Япаскурт, В.П. Алексеев и др.) в понятие литогенеза включают и стадии преобразования осадочных пород
• катагенез – стадия химико-минералогического преобразования осадочных пород при погружении их в более глубокие горизонты литосферы;
• метагенез – стадия глубокой переработки осадочных пород в условиях повышающихся давления и температуры и предшествующая метаморфизму.
• Продолжительность процесса породообразования зависит от состава осадочного материала и может достигать сотен тысяч лет.

Рис. 1., Соотношение этапов образования и образования и существования осадочных пород (по Л.Б, Рухину, с изменениями)

Стадия гипергенеза

• Стадия гипергенеза представляет собой первый (подготовительный) этап образования осадочных пород.
• Гипергенез (выветривание) − разрушение материнских пород на поверхности Земли и в её приповерхностной зоне. В зависимости от того, какие факторы воздействия на породы являются главными, различают физическое и химическое выветривание.
• Физическое выветривание выражается в механическом разрушении минералов и горных пород при изменении температуры, ударах и истирании.
• Благодаря разным тепловым свойствам и анизотропии минералов, колебания температуры вызывает изменение объема минералов и ослабление связей между ними. В результате этого в породе появляются мелкие трещинки, в них попадает вода, которая, замерзая, расширяет их. Горная порода становится трещиноватой и разделяется на части или обломки. Обломки, отделяясь от общей массы породы, сосредотачиваются на разрушаемой поверхности и при малейших сотрясениях или под влиянием силы тяжести падают к подножью склонов, разбиваясь на более мелкие частицы. Продукты выветривания на склонах называются делювием, а у подножья склонов − коллювием.

• Движущиеся ледники сглаживают свое ложе, механически раздробляя горные породы и оставляя глубокие борозды на крупных глыбах.

• Деятельность ветра вызывает явления дефляции (выдувания, развеивания частиц) и корразии (обработки горных пород переносимыми ветром обломками). В результате образуются разнообразные причудливые формы эолового рельефа и останцы выветривания.
• Органическая жизнь механически разрушает горные породы различными путями. Корневая система растений действует так же, как и замерзающая вода: корни, увеличиваясь в объеме в процессе роста, развивают в трещинах давление и разрывают породу

• Химическое выветривание играет большую роль при образовании осадочного материала. Основными действующими силами этого процесса являются вода, кислород, углекислый газ, а также гуминовые и минеральные кислоты.
• 1. Вода является главным фактором химического выветривания, благодаря своим физико-химическим свойствам.
• вода − растворитель многих природных минеральных и органических соединений. Её растворяющая способность определяется полярной природой молекул воды. Атомы водорода и кислорода в молекуле воды соединяются с помощью ковалентной асимметричной связи. При этом атом кислорода «оттягивает» к себе большую часть электронного облака. Это даёт сильно электроотрицательному атому кислорода дополнительный отрицательный заряд за счёт присоединения электронов атомов водорода. Последние приобретают положительный заряд. Таким образом, молекулы воды обладают полюсами и являются электрическими диполями, т.е. обладают полярностью.
• Эта полярная природа молекул и обуславливает эффективную растворяющую способность воды по отношению к веществам с ионным типом связи

• Положительные и отрицательные концы диполей молекул воды присоединяются, соответственно, к отрицательным и положительным ионам вещества, нейтрализуя их заряды, в связи с чем происходит отрыв атомов, способствующий растворению вещества.
• молекулы воды ориентируются относительно друг друга посредством водородных связей. С их помощью образуются тетраэдрические группы из четырёх молекул. Такие группировки молекул воды обуславливают её способность проникать по тончайшим капиллярам в породу.
• вода – слабый электролит, диссоциирующий на ионы Н+ и ОН- при любых температурах, однако, обычно степень диссоциации очень мала. При комнатной температуре в 1 литре дистиллированной воды содержится лишь 10-7 молей ионов водорода и столько же ионов гидроксила. Содержание ионов Н+ определяет меру кислотности воды.

• Кислотность принято выражать в виде отрицательного логарифма концентрации ионов Н+, выраженной в граммах на литр. Его называют величиной рН.
• При рН = 7 реакция воды нейтральная
• РН > 7 – щелочная
• РН < 7 – кислая
• в водных растворах многие вещества вступают с водой в реакцию обменного разложения, называемого гидролизом, когда небольшие сильно заряженные ионы Н+ замещают катионы металлов в кристаллических решётках, а ионы ОН- могут соединяться с замещёнными катионами.

• 2. Вторым важным фактором химического выветривания является кислород.
• Воздействие кислорода на минералы называется окислением. В случае отсутствия кислорода, например, в сероводородной среде, происходит восстановление вещества.
• Окисление влечёт за собой потерю электронов элементами или ионами и приводит к увеличению их положительного заряда или к уменьшению отрицательного. При восстановлении наблюдается обратная картина. Например, в обратимой реакции Fe закисное может окисляться с потерей электрона:
• Fe+2 ⇆ Fe+3 + ē
• закисное окисное электрон

• В поверхностных водах наиболее важным природным окисляющим агентом является растворённый кислород, вследствие его очень высокой электроотрицательности (шесть электронов на внешней орбите).
• Мерой окисления или восстановления вещества является окислительно-восстановительный потенциал Еh, измеряемый в милливольтах. При положительных значениях Еh – среда окислительная, при отрицательных – восстановительная. Чем выше абсолютная величина Еh, тем выше степень окисления или восстановления.
• Большинство элементов в зоне выветривания и в верхних частях отложенных осадков окисляется. Исключения наблюдаются в бедных кислородом заболоченных почвах, в которых в большом количестве присутствуют анаэробные бактерии. Это организмы, развивающиеся в отсутствие свободного кислорода. Области их развития – придонные участки морских и континентальных водоёмов, лишённые доступа свободного кислорода (например, глубоководные илы Чёрного моря, лиманы, солоноватоводные озёра, болота).

• В практике литологических исследований обстановка считается окислительной, если породы имеют бурую, красную, оранжевую окраску или оттенок. Эти цвета обусловлены наличием окисного железа (Fe+3). Серый, чёрный, зеленовато- и голубовато-серый цвет связан с наличием в породах закисного железа (Fe+2), а также присутствием тонкодисперсного органического вещества. Эти цвета являются признаком восстановительной обстановки.

• 3. Третьим важным фактором химического выветривания является углекислый газ, растворённый в воде, или углекислота.
• Свободный углекислый газ, соединяясь с водой, образует угольную кислоту, которая при диссоциации резко повышает кислотность среды в ходе реакции:
• Н2О + СО2 ⇆ Н2СО3

Н+ + НСО3¯

• Источником углекислоты является жизнедеятельность организмов, разложение органических остатков и карбонатов, а также вулканическая деятельность. Особенно много углекислоты в болотных водах и торфяниках.

• 4. Четвёртым агентом химического выветривания является работа гуминовых кислот, образующихся при разложении органических веществ, в основном животного происхождения. Особенно велика их роль во влажных заболоченных районах с умеренным и жарким климатом.
• 5. Пятый фактор химического выветривания проявляется в районах активной вулканической деятельности. Из недр Земли поступают газы: хлор (Cl), фтор (F), серный ангидрит (SO3), сернистый ангидрит (SO2) и др. Они вступают в реакцию с водяными парами и образуют минеральные кислоты, способные разлагать минералы и горные породы.
• Таким образом, химическое выветривание приводит к изменению минералов глубинных зон Земли, превращению их в минералы, устойчивые на земной поверхности. Происходит изменение сложных соединений, превращение их в более простые.

• Биологическое выветривание сводится к механическому и химическому изменению пород, вызываемому жизнедеятельностью организмов. Биологические факторы играют важную роль в своеобразном типе выветривания – почвообразовании.
• Минералы имеют разную устойчивость к внешним воздействиям, зависящую от их состава и свойств. Различают механическую и химическую устойчивость. Они взаимно связаны и влияют друг на друга.

• Механическая устойчивость зависит от твёрдости, спайности и других физических свойств, а также от степени выветрелости минерала. Химическая устойчивость минералов зависит от состава, строения и степени дисперсности минералов, а также от характера среды и времени пребывания минералов в этой среде.
• Прямым показателем устойчивости минералов является способность выветриваться (или, наоборот, противостоять выветриванию). При сравнении содержания минералов в породах и продуктах их выветривания установлено, что наименее устойчивыми к выветриванию являются минералы с высокими начальными температурами их образования. К ним относятся оливин, пироксены, амфиболы, плагиоклазы, биотит. Устойчивыми минералами являются кварц, калиевые полевые шпаты, циркон, гидрооксиды железа, мусковит.